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Rubisco — ein langsames Enzym
AFB I–IIIRubisco gilt als das häufigste Protein der Erde. Das Enzym katalysiert den ersten Schritt des Calvin-Zyklus, arbeitet aber auffallend langsam. Zudem setzt es neben CO₂ auch O₂ um; Rubisco-Varianten mit höherer Wechselzahl binden CO₂ meist weniger bevorzugt gegenüber O₂. M1 fasst Literaturwerte (gerundet, C3-Pflanzen) zusammen. Ein Laubblatt fixiert bei vollem Licht etwa 20 µmol CO₂ pro m² Blattfläche und Sekunde (Modellwert).
M1Kenndaten von Rubisco
| Eigenschaft | Wert |
|---|---|
| Wechselzahl Rubisco (fixierte CO₂ je aktivem Zentrum) | ca. 3 pro Sekunde |
| Wechselzahl Carboanhydrase (zum Vergleich) | ca. 1 000 000 pro Sekunde |
| aktive Zentren je Rubisco-Molekül | 8 |
| molare Masse von Rubisco | ca. 550 000 g/mol |
| Anteil am löslichen Protein eines Laubblatts | bis zu 50 % |
| CO₂-Konzentration im Stroma | ca. 8 µmol/L |
| CO₂-Konzentration, bei der Rubisco halbmaximal arbeitet | ca. 10 µmol/L |
- Beschreiben Sie die Fixierungsphase des Calvin-Zyklus (Ort, Reaktionspartner, Produkte).
- Berechnen Sie mit M1, welche Masse Rubisco ein Quadratmeter Blatt mindestens enthalten muss, um 20 µmol CO₂ pro Sekunde zu fixieren.
- Erklären Sie mithilfe von M1, warum der tatsächliche Rubisco-Gehalt von Blättern (etwa 1–2 g pro m²) deutlich über dem Ergebnis aus b) liegt.
- Züchter wollen eine „schnellere“ Rubisco in Nutzpflanzen einbauen, um die Fotosyntheseleistung zu verdoppeln. Beurteilen Sie dieses Vorhaben.
Hinweise
Hinweis zu Aufgabe a)
Nennen Sie Enzym, Akzeptor, Zwischenprodukt und Produkt — mit Zahl der C-Atome.
Hinweis zu Aufgabe b)
Erst die Anzahl aktiver Zentren (Fixierungsrate : Wechselzahl), dann die Anzahl Moleküle (: 8), dann die Masse (· M).
Hinweis zu Aufgabe c)
Vergleichen Sie die CO₂-Konzentration im Stroma mit dem Wert für halbmaximale Aktivität.Erklären: auf Ursachen und Gesetzmäßigkeiten zurückführen.
Hinweis zu Aufgabe d)
Welche Voraussetzungen braucht der Zyklus außer Rubisco? Und was sagt der Materialtext über schnelle Varianten?Beurteilen: ein begründetes Urteil mit Fachwissen formulieren.